Исследование трехмерных вихревых структур в тупиковых выработках, проветриваемых нагнетательным способом

Представлены новые методы анализа структуры трехмерных вихревых структур турбулентного течения в тупиковых горных выработках, проветриваемых нагнетательным способом. Показано, что сложность идентификации трехмерной структуры течения, даже крупномасштабной, может быть существенно снижена при сопоставлении результатов использования трехмерных и двумерных математических моделей турбулентного течения воздуха. Такое сопоставление оказывается полезным для выявления неочевидных особенностей турбулентного переноса примеси, происходящего в сложных трехмерных вихревых структурах. Таким образом, моделирование в 2D-постановке оказывается инструментом исследования трехмерных течений. Для более детального изучения особенностей массообменных процессов в удлиненных тупиковых выработках в работе использована предложенная авторами ранее система таких интегральных показателей, как спутный поток воздуха и максимальная скорость воздуха в сечении. Помимо этого, впервые для таких течений использован критерий вихреобразования «λ ». Установлено, что крупномасштабный вихрь в тупиковой выработке обладает сложной трехмерной структурой, в которой вблизи груди забоя формируются среднемасштабные и мелкомасштабные вихри. Это приводит, несмотря на падение максимальной осевой скорости в струе, к увеличению расхода спутного потока воздуха и интенсификации процессов смешения, ведущих к уменьшению времени выноса примесей из наиболее труднодоступных зон призабойного пространства. Сравнение структур при моделировании в 3D и 2D-постановках позволяет аргументировать целесообразность действующих нормативных требований к максимально допустимым величинам отставания конца вентиляционного трубопровода от груди забоя, а также показать перспективы увеличения этих значений.

Семин М. А., Файнбург Г. З. Исследование трехмерных вихревых структур в тупиковых выработках, проветриваемых нагнетательным способом // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 8. – С. 71–91. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2025_8_0_71.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания (рег. номер НИОКТР: 122030100425-6).

Семин Михаил Александрович¹ — д-р техн. наук, зав. лабораторией, e-mail: seminma@inbox.ru, ORCID ID: 0000-0001-5200-7931,
Файнбург Григорий Захарович¹ — д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник, e-mail: faynburg@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-9599-7581,
¹ Горный институт Уральского отделения РАН.

Семин М.А., e-mail: seminma@inbox.ru.

1. Пучков Л. А., Каледина Н. О., Кобылкин С. С. Системные решения обеспечения метанобезопасности угольных шахт // Горный журнал. — 2014. — № 5. — С. 12—14.

2. Wan Y. Design and optimization of intelligent ventilation system in coal mine // E3S Web of Conferences. 2024, vol. 528, article 03020. DOI: 10.1051/e3sconf/202452803020.

3. Швырков И. А. Проветривание глухих забоев после паления // Безопасность труда в горной промышленности. — 1934. — № 5. — С. 5—12; № 6. — С. 4—15.

4. Воронин В. Н. Основы рудничной аэрогазодинамики. — М.–Л.: Углетехиздат, 1951. — 492 с.

5. Кобылкин С. С., Ушаков В. К., Кузнецов И. И. Анализ влияния местных сопротивлений горных выработок на общешахтное аэродинамическое сопротивление // Горная промышленность. — 2024. — № 2. — С. 93—96.

6. Gendrue N., Liu S., Bhattacharyya S., Clister R. An investigation of airflow distributions with booster fan for a large opening mine through field study and CFD modeling // Tunnelling and Underground Space Technology. 2023, vol. 132, article 104856. DOI: 10.1016/j.tust.2022.104856.

7. Park J., Jo Y., Park G. Flow characteristics of fresh air discharged from a ventilation duct for mine ventilation // Journal of Mechanical Science and Technology. 2018, vol. 32, pp. 1187—1194.

8. Wang W., Zhang C., Yang W., Xu H., Li S., Li C., Qi G. In situ measurements and CFD numerical simulations of thermal environment in blind headings of underground mines // Processes. 2019, vol. 7, no. 5, article 313. DOI: 10.3390/pr7050313.

9. Parra M. T., Villafruela J. M., Castro F., Mendez C. Numerical and experimental analysis of different ventilation systems in deep mines // Building and Environment. 2006, vol. 41, no. 2, pp. 87—93. DOI: 10.1016/j.buildenv.2005.01.002.

10. Жихарев С. Я., Цыганков В. Д., Родионов В. А., Исаевич А. Г. Оптимизация процессов пылеподавления при ведении подземных горных работ на основе данных натурных экспериментов и моделирования в программе ANSYS Fluent // Горный журнал. — 2023. — № 11. — C. 70—75.

11. Kurnia J. C., Sasmito A. P., Mujumdar A. S. CFD simulation of methane dispersion and innovative methane management in underground mining faces // Applied Mathematical Modelling. 2014, vol. 38, no. 14, pp. 3467—3484. DOI: 10.1016/j.apm.2013.11.067.

12. Li W. J., Zou S., Yang W., Hu Q. Model of heat and mass exchange between a downcast shaft and the air flow to the mine // Geofluids. 2020, vol. 2020, no. 1, article 8853839.

13. Obracaj D., Korzec M., Deszcz P. Study on methane distribution in the face zone of the fully mechanized roadway with overlap auxiliary ventilation system // Energies. 2021, vol. 14, no. 19, article 6379. DOI: 10.3390/en14196379.

14. Branny M., Jaszczur M., Wodziak W., Szmyd J. Experimental and numerical analysis of air flow in a dead-end channel // Journal of Physics: Conference Series. 2016, vol. 745, no. 3, article 032045. DOI: 10.1088/1742-6596/745/3/032045.

15. Toraño J., Torno S., Menéndez M., Gent M. Auxiliary ventilation in mining roadways driven with roadheaders: Validated CFD modelling of dust behaviour // Tunnelling and Underground Space Technology. 2011, vol. 26, no. 1, pp. 201—210. DOI: 10.1016/j.tust.2010.07.005.

16. Казаков Б. П., Колесов Е. В., Накаряков Е. В., Исаевич А. Г. Обзор моделей и методов расчета аэрогазодинамических процессов в вентиляционных сетях шахт и рудников // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 6. — С. 5—33.

17. Yi H., Kim M., Lee D., Park J. Applications of computational fluid dynamics for mine ventilation in mineral development // Energies. 2022, vol. 15, no. 22, article 8405. DOI: 10.3390/en15228405.

18. Brodny J., Tutak M. Applying computational fluid dynamics in research on ventilation safety during underground hard coal mining: A systematic literature review // Process Safety and Environmental Protection. 2021, vol. 151, pp. 373—400. DOI: 10.1016/j.psep.2021.05.029.

19. Semin M., Faynburg G., Tatsiy A., Levin L., Nakariakov E. Insights into turbulent airflow structures in blind headings under different ventilation duct distances // Scientific Reports. 2024, vol. 14, no. 1, article 23768. DOI: 10.1038/s41598-024-74671-3.

20. Каменских А. А., Файнбург Г. З., Семин М. А., Таций А. В. Экспериментальные исследования проветривания тупиковой выработки нагнетательным способом при различном отставании вентиляционного трубопровода от груди забоя // Горные науки и технологии. — 2024. — Т. 9. — № 1. — С. 41—52.

21. Shih T. H., Liou W. W., Shabbir A., Yang Z., Zhu J. A new k-c eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows // Computers & Fluids. 1995, vol. 24, no. 3, pp. 227—238.

22. Semin M., Ivantsov A., Lyubimova T., Isaevich A., Sukhanov A. Analyzing the impact of heat emissions from the borer miner on the efficiency of the exhaust ventilation system in a blind heading // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024, vol. 235, article 126183. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126183.

23. Jeong J., Hussain F. On the identification of a vortex // Journal of Fluid Mechanics. 1995, vol. 285, pp. 69—94.

24. Bogusławski L., Popiel C. O. Flow structure of the free round turbulent jet in the initial region // Journal of Fluid Mechanics. 1979, vol. 90, no. 3, pp. 531—539.

25. Козырев С. А., Амосов П. В. Обоснование минимального расстояния от забоя проводимой выработки до конца вентиляционных труб // Безопасность труда в промышленности. — 2012. — № 10. — С. 79—84.

26. Казаков Б. П., Шалимов А. В., Паршаков О. С., Богомягков А. В. Улучшение проветривания тупиковой выработки путем увеличения начальной скорости воздуха в вентиляционной струе // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2022. — Т. 1. — С. 112—118.